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第二章 混凝土结构材料 的物理力学性能 混凝土的物理力学性能 钢筋的物理力学性能 混凝土与钢筋的粘接 混凝土的物理力学性能 混凝土的强度 混凝土的变形 要点 混凝土的组成结构(自学) 混凝土的组成结构 普通混凝土是由水泥、砂、石材料用水拌合硬化后形成的 人工石材，是多相复合材料。 .微观结构：也即水泥石结构，包括水泥凝胶、晶体 骨架、未水化完的水泥颗粒和凝胶孔组成。 .亚微观结构：即混凝土中的水泥砂浆结构。 .宏观结构：即砂浆和粗骨料两组分体系。 骨料 水泥结晶体 水泥凝胶体 弹性变形的基础 塑性变形的基础 C15、 C30 、 C50、C80 混凝土的强度 认识混凝土 混凝土的强度 混凝 土的 强度 复杂应力下混凝土强度 单轴应 力状态 下的混 凝土强 度 立方体抗压强度 轴心抗压强度 轴心抗拉强度 混凝土的强度 （1）单向受力状态下混凝土的强度 （2）单向受力状态下混凝土的强度之间的关系 （3）复合受力状态下混凝土的强度 （一） 混凝土强度 混凝土结构中，主要是利用它的抗压强度。因此抗压强度是 混凝土力学性能中最主要和最基本的指标。 混凝土的强度等级是用抗压强度来划分的 （1）单向受力状态下混凝土的强度 1）立方体抗压强度 边长为150mm的混凝土立方体试件，在标准条件下（温度 为203，湿度90%）养护28天，用标准试验方法（加载速度 0.150.3N/mm2/s，两端不涂润滑剂）测得的具有95%保证率的 抗压强度。 规范根据强度范围，从C15C80共划分为14个强度等级 ，级差为5N/mm2。 C30的含义？ 2）轴心抗压强度 n轴心抗压强度由棱柱体试件测得的抗压强度确定 。 n按标准方法制作的150mml50mm 300mm的棱柱 体试件，在温度为20土3和相对湿度为90以上 的条件下养护28d，用标准试验方法测得的具有95 保证率的抗压强度。 n对于同一混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗 压强度。 3）轴心抗拉强度 混凝土的轴心抗拉强度可以采用直接轴心受拉的试验 方法来测定，但由于试验比较困难，目前国内外主要采 用圆柱体或立方体的劈裂试验来间接测试混凝土的轴心 抗拉强度。 劈拉试验 F a F 拉 压 压 式中： k为棱柱体强度与立方体强度之比，对不大 于C50级的混凝土取0.76，对C80取0.82，其间按线性插 值。k2为高强混凝土的脆性折减系数，对C40以下取1.0 ，对C80取0.87，中间按直线规律变化取值。0.88为考虑 实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系 数。 fcu,k：立方体抗压强度标准值。 Fck：混凝土轴心抗压强度标准值。 脆性折减系数强度比 （2）单向受力状态下混凝土的强度之间的关系 1）轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系 混凝土结构设计规范规定轴心抗拉强度 标准值与立方体抗压强度标准值的换算关系为 ： 2）轴心抗拉强度与立方体抗压强度的关系 混凝土的抗拉强度比抗压强度小得多， 为抗压强度 。 1）双轴应力状态 实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双 向或三向受力状态。 压 拉压 （3）复合受力状态下混凝土的强度 双向正应力作用 (拉拉) 强度基本不变 (拉压) 强度降低 (压压) 强度增加 1 1）双轴应力状态 实际结构中，混凝土很少处于单向受力状态。更多的是处于双 向或三向受力状态。 压 拉压 （3）复合受力状态下混凝土的强度 双向正应力作用 在平面应力状态下，当 两方向应力均为压应力 时，抗压强度相互提高 ，最大可增加27，而 当一方向为压应力，另 一方向为拉应力时，强 度相互降低。 混凝土的抗剪强度：随拉应力增大而减小 随压应力增大先增大后减小 当压应力在0.6fc左右时，抗剪强度达到最大， 压应力继续增大，则由于内裂缝发展明显，抗剪强度将 随压应力的增大而减小。 正应力和剪应力作用共同作用 2）三轴受压状态下混凝土的强度 200 3= 50N/mm2 35N/mm2 1 3 3 10N/mm2 150 100 50 0510152025 1 (N/mm2) 1 () 工程应用：约束混凝土 钢管砼 密配螺旋箍筋 侧向压应力的存在可 提高混凝土的延性。 2）三轴受压状态下混凝土的强度 工程应用：约束混凝土 钢管砼 密配螺旋箍筋 侧向压应力的 存在可提高混 凝土的延性。 2）三轴受压状态下混凝土的强度 工程应用：约束混凝土 钢管砼 密配螺旋箍筋 侧向压应力的 存在可提高混 凝土的延性。 （2）三轴受压状态下混凝土的强度 式中 被约束混凝土的轴心抗压强度； 非约束混凝土的轴心抗压强度； 侧向约束压应力。 侧向压应力的存在可提高混凝土的抗压强度，关系为 混凝土的变形 1、一次荷载短期加载下混凝土的变形 2、一次荷载长期作用下混凝土的变形 3、荷载重复作用下混凝土的变形 4、混凝土的收缩与膨胀 5、混凝土的应力-应变关系 6、混凝土的模量 （二） 混凝土的变形 混凝土在结硬过程中，由于水泥石的 收缩、骨料下沉以及温度变化等原因，在 骨料和水泥石的界面上形成很多微裂缝， 成为混凝土中的薄弱部位。混凝土的最终 破坏就是由于这些微裂缝的发展造成的。 02468 10 20 30 (MPa) 10-3 B A C E D A点以前，微裂缝没有 明显发展，混凝土的变 形主要弹性变形，应力 -应变关系近似直线。A 点应力随混凝土强度的 提高而增加，对普通强 度混凝土A约为 (0.30.4)fc ，对高强混 凝土A可达(0.50.7)fc 。 （二） 混凝土的变形 1、一次荷载短期加载下混凝土的变形 02468 10 20 30 (MPa) 10-3 B A C E D A点以后，由于微裂缝 处的应力集中，裂缝开 始有所延伸发展，产生 部分塑性变形，应变增 长开始加快，应力-应 变曲线逐渐偏离直线。 微裂缝的发展导致混凝 土的横向变形增加。但 该阶段微裂缝的发展是 稳定的。 （二） 混凝土的变形 1、一次荷载短期加载下混凝土的变形 02468 10 20 30 (MPa) 10-3 B A C E D （二） 混凝土的变形 1、一次荷载短期加载下混凝土的变形 达到B点，内部一些微 裂缝相互连通，裂缝发 展已不稳定，横向变形 突然增大，体积应变开 始由压缩转为增加。在 此应力的长期作用下， 裂缝会持续发展最终导 致破坏。取B点的应力 作为混凝土的长期抗压 强度。普通强度混凝土 B约为0.8fc，高强强度 混凝土B可达0.95fc以上 。 02468 10 20 30 (MPa) 10-3 B A C E D （二） 混凝土的变形 1、一次荷载短期加载下混凝土的变形 达到C点fc，内部微裂缝 连通形成破坏面，应变 增长速度明显加快，C 点的纵向应变值称为峰 值应变 0，约为0.002。 02468 10 20 30 (MPa) 10-3 B A C E D （二） 混凝土的变形 1、一次荷载短期加载下混凝土的变形 纵向应变发展达到D点 ，内部裂缝在试件表面 出现第一条可见平行于 受力方向的纵向裂缝。 02468 10 20 30 (MPa) 10-3 B A C E D 随应变增长，试件上相 继出现多条不连续的纵 向裂缝，横向变形急剧 发展，承载力明显下降 ，混凝土骨料与砂浆的 粘结不断遭到破，裂缝 连通形成斜向破坏面。 E点的应变 = (23) 0 ，应力 = (0.40.6) fc。 （二） 混凝土的变形 1、一次荷载短期加载下混凝土的变形 02468 10 20 30 (MPa) 10-3 B A C E D （二） 混凝土的变形 1、一次荷载短期加载下混凝土的变形 不同强度混凝土的应力-应变关系曲线 强度等级越高 线弹性段越长 峰值应变也有所增大 下降段越陡 破坏时脆性越显著 延性越差 2、荷载长期作用下混凝土的变形 混凝土在荷载的长期作用下，其应变或变形随时间而不断 增长的现象称为徐变。 混凝 土的 徐变 特性 主要 与时 间参 数有 关。 如在时间t 卸载，则会产生瞬时弹性恢复应变el。由于混凝土 弹性模量随时间增大，故弹性恢复应变el小于加载时的瞬时弹 性应变 el。再经过一段时间后，还有一部分应变el可以恢复， 称为弹性后效或徐变恢复，但仍有不可恢复的残留永久应变cr 4个月徐变增长较快，6个月可达最终 徐变的（7080）%，以后增长逐渐缓慢 ，23年后趋于稳定。徐变约为瞬时弹性 应变的1-4倍。 徐 变 与 时 间 徐变与应力 线性徐变 初应力 c0.5fc 徐变与初应力呈正比 非线性徐变 c 0.5fc 当加载应力过高（c 0.8fc） ，徐变变形急 剧增加而不再收敛，导致混凝土破坏，一 般取 0.75 fc 0.8fc作为混凝土的长期抗压 强度。 徐变会使构件的变形增加，在钢筋混 凝土截面中引起应力重分布，在预应 力混凝土结构中会造成预应力的损失 。 徐变 的影 响因 素 徐变 对结 构的 影响 混凝土的级配、水灰比、初始加载龄 期、初应力大小，养护使用条件 3、荷载重复作用下混凝土的变形（疲劳变形） 混凝土的疲劳是在荷载重复作用下产生的混凝土在荷载 重复作用下引起的破坏称为疲劳破坏。 混凝土在经过一次加卸 载循环后将有一部分塑性变 形不能恢复，在多次加、卸 载过程中这些塑性变形不断 积累，但每次循环产生的残 余塑性变形将随着循环次数 的增加而不断减少。 3、荷载重复作用下混凝土的变形（疲劳变形） 疲劳变形 与应力 加卸载应力-应变环会越来越密合应力 fcf 加卸载不能形成封闭环 fcf 3、荷载重复作用下混凝土的变形（疲劳变形） 疲劳强度的测定 混凝土的疲劳强度由疲劳试验测 定。采用100mm100mm300mm 或 着150mm150mm450mm的棱柱体 ，把棱柱体试件承受200万次或其以上 循环荷载而发生破坏的压应力值称为混 凝土的疲劳抗压强度。 4、混凝土的收缩 混凝土在空气中硬化时体积会缩小，这种现象称为混 凝土的收缩。 收缩是混凝土在不受外力情况下体积变化产生的变形 。 收缩的性质 自由收缩 约束收缩 来自内部的钢筋约束 来自支座的外部约束 收缩对结构的影响 自由收缩一般不会引起拉 应力，故不会开裂 约束收缩产生收缩应力甚 至开裂 4、混凝土的收缩 蒸汽养护 常温养护 05101520 0.1 0.2 0.3 0.4 收缩(103) 时间 (月) 影响因素 混凝土的收缩受结构周围的温度、湿度、构件断面形状及 尺寸、配合比、骨料性质、水泥性质、混凝土浇筑质量及养护 条件等许多因素有关。 （1）水泥的品种：水泥强度等级越高，制成的混凝土收缩越 大。 （2）水泥的用量：水泥用量多、水灰比越大，收缩越大。 （3）骨料的性质：骨料弹性模量高、级配好，收缩就小。 （4）养护条件：干燥失水及高温环境，收缩大。 （5）混凝土制作方法：混凝土越密实，收缩越小。 （6）使用环境：使用环境温度、湿度越大，收缩越小。 （7）构件的体积与表面积比值：比值大时，收缩小。